第八基因與基因組

1、BAG-TJU第八章第八章 基因與基因組基因與基因組李炳志2014-04BAG-TJU中心法則BAG-TJU第八章第八章 基因與基因組基因與基因組李炳志2014-04BAG-TJU 1.1 近代遺傳學(xué)關(guān)于基因（gene）概念變革 孟德爾的“遺傳因子”（1865年） 生物的遺傳性狀是通過“遺傳因子”（hereditary factor）進行傳遞的。 1909年約翰森提出“基因”一詞 基因的“三位一體”概念（1926年） 在染色體上呈線性排列的遺傳單位 基因不僅是決定性狀的功能單位，也是一個突變單位和交換單位Thomas Hunt Morgan摩爾根摩爾根(1866-1945)BAG-TJU基因是

2、DNA 一個基因一個酶（One gene one enzyme） 基因可轉(zhuǎn)移（轉(zhuǎn)座子） 基因可被分割成更小的遺傳單位（順反子） 遺傳上功能相關(guān)（操縱子） 1.1 近代遺傳學(xué)關(guān)于基因（gene）概念變革BAG-TJU 基因是DNA 1.1 近代遺傳學(xué)關(guān)于基因（gene）概念變革 1928年，英國科學(xué)家格里菲斯在肺炎球菌實驗中首次發(fā)現(xiàn)，基因是一類特殊生物分子DNA。Frederic Griffith格里菲斯1879-1941 直至1952年，赫爾希（A. D. Hershey）和蔡司（M. Chase）證明了噬菌體DNA能攜帶遺傳信息到后代中去以后，科學(xué)界才終于接受了“DNA是遺傳信息載體”的理論

3、。BAG-TJU 基因可轉(zhuǎn)移（轉(zhuǎn)座子）（1951年） 1.1 近代遺傳學(xué)關(guān)于基因（gene）概念變革Barbara McClintock麥克林托克 1902-1992BAG-TJU 基因可被分割成更小的遺傳單位（順反子） 1957年，美國分子生物學(xué)家西莫爾本澤爾(Seymour Benzer,1921-2007) 提出了順反子（cistron）、突變子(muton)和重組子(recon)的概念。 順反子：一個遺傳功能單位，一個順反子決定一條多肽鏈，即結(jié)構(gòu)基因。 單順反子 多順反子 1.1 近代遺傳學(xué)關(guān)于基因（gene）概念變革BAG-TJU 遺傳上功能相關(guān)（操縱子） 1.1 近代遺傳學(xué)關(guān)于基因

4、（gene）概念變革BAG-TJU 分子遺傳學(xué)對基因的認識變化 按產(chǎn)物：蛋白質(zhì)基因；RNA基因 按功能類別：結(jié)構(gòu)基因；調(diào)節(jié)基因 只轉(zhuǎn)錄不翻譯的基因 核糖體RNA基因（rDNA） tRNA基因 1.1 近代遺傳學(xué)關(guān)于基因（gene）概念變革BAG-TJU 基因：指攜帶有遺傳信息的DNA或RNA序列，是控制性狀的基本遺傳單位。 在細菌中，是指編碼一個分立的蛋白質(zhì)或RNA分子的遺傳功能單位 在真核細胞中，是指編碼一個或者多個產(chǎn)物的，或者對某一個產(chǎn)物產(chǎn)生有貢獻的一個轉(zhuǎn)錄單位。 1.1 近代遺傳學(xué)關(guān)于基因（gene）的概念BAG-TJU 基因結(jié)構(gòu)通常是指結(jié)構(gòu)基因的結(jié)構(gòu)。 結(jié)構(gòu)基因：編碼蛋白質(zhì)或RNA的D

5、NA序列。 基因必須具有以下三個基本的組成成分： 啟動子（Promoter） 編碼序列（Coding sequence） 終止子（Terminator） 1.2 基因的結(jié)構(gòu)BAG-TJU 1.2 基因的結(jié)構(gòu)一個典型的真核基因 編碼序列：外顯子(exon) 插入外顯子之間的非編碼序列：內(nèi)含子(intron) 5-端和3-端非翻譯區(qū)(UTR) 調(diào)控序列(可位于上述三種序列中)BAG-TJU 1.2 基因的結(jié)構(gòu)GT-AG法則：真核基因中RNA剪接的識別信號內(nèi)含子的 5端以GT開始， 3端以AG結(jié)束。BAG-TJU2 基因組 基因組的概念： 基因組（基因組（genome）是生物體內(nèi)遺傳信息的集合，是某

6、個特定物種細胞內(nèi)全部DNA分子的總和。 廣義的基因組包括細胞核核基因組和細胞質(zhì)質(zhì)基因組。Genome data for plant and animal speciesSpeciesGenome size(Mb)Number of chromosomesHuman30002n=46Mouse27002n=40Pig 27002n=38Cow 30002n=60Fugu 400Zebrafish 17002n=50Chicken 12002n=78Honey bee180n=16Drosophila1652n=8C.elegans 1002n=12Rise 4302n=24Wheat 17,00

7、02n=6x=42Arabidopsis 1002n=10Tomato 9502n=24Maize25002n=20White Spruce10,0002n=24S. cerevisiae15n=16E. coli4.7n=1H. influenze1.8n=1Mycoplasma genitalium0.58n=117C值值（C-value）：）：單倍體基因組中的全部單倍體基因組中的全部DNADNA量量( (bpbp) ) 106 107 108 109 1010 1011顯花植物骨魚類哺乳類甲殼類爬行類鳥類藻類真菌革蘭氏陽性菌革蘭氏陰性菌支原體霉菌蠕蟲類軟體動物棘皮類昆蟲類軟骨魚類兩棲類B

8、AG-TJU 病毒基因組結(jié)構(gòu)與功能的特點： 1. 1.不同病毒基因組大小相差較大不同病毒基因組大小相差較大 2. 2.不同病毒基因組可以是不同種類、結(jié)構(gòu)的核酸不同病毒基因組可以是不同種類、結(jié)構(gòu)的核酸 3. 3.病毒基因組有連續(xù)的也有不連續(xù)的，有些病毒基因組有連續(xù)的也有不連續(xù)的，有些RNA病毒為不連續(xù)的片段病毒為不連續(xù)的片段 4. 4.編碼序列大于編碼序列大于90%90% 2.1 病毒基因組BAG-TJU 2.1 病毒基因組 病毒基因組結(jié)構(gòu)與功能的特點： 5. 5.單倍體基因組單倍體基因組 除逆轉(zhuǎn)錄病毒外除逆轉(zhuǎn)錄病毒外 6. 6.基因有連續(xù)的和間斷的基因有連續(xù)的和間斷的 7. 7.相關(guān)基因叢集相

9、關(guān)基因叢集 轉(zhuǎn)錄出多順反子轉(zhuǎn)錄出多順反子mRNA 8. 8.基因重疊基因重疊 9. 9.病毒基因組含有不規(guī)則結(jié)構(gòu)基因病毒基因組含有不規(guī)則結(jié)構(gòu)基因 2.1 病毒基因組核酸類型核酸類型轉(zhuǎn)錄方式轉(zhuǎn)錄方式復(fù)制特點復(fù)制特點病毒種類病毒種類雙鏈雙鏈DNA類似細胞基因 通過DNA復(fù)制過程完成基因組復(fù)制； 先轉(zhuǎn)錄出一個RNA中間體（前基因組），再通過逆轉(zhuǎn)錄過程完成復(fù)制 大部分DNA病毒乙肝病毒（HBV）單鏈正股單鏈正股DNA類似細胞基因通過DNA復(fù)制過程完成基因組復(fù)制自主微小病毒、依賴微小病毒、M13噬菌體等雙鏈雙鏈RNA以負鏈RNA為模板轉(zhuǎn)錄出mRNA通過RNA復(fù)制過程完成基因組復(fù)制動物呼腸弧病毒及所有的噬

10、真菌體單鏈負股單鏈負股RNA轉(zhuǎn)錄酶以負鏈RNA為模板轉(zhuǎn)錄出有帽尾mRNA負鏈RNA為模板，從頭合成正股RNA（無帽尾），再以此鏈為模板復(fù)制出負股RNA單鏈正股單鏈正股RNA通過RNA復(fù)制過程完成基因組復(fù)制通過DNA中間體，再通過逆轉(zhuǎn)錄過程完成復(fù)制脊髓灰質(zhì)炎病毒逆轉(zhuǎn)錄病毒BAG-TJU 2.1 病毒基因組單股正鏈RNA病毒SARSSARS冠狀病毒冠狀病毒 SARS SARS coronaviruscoronavirus 包膜蛋白膜蛋白核衣殼蛋白刺突蛋白 病毒RNA聚合酶BAG-TJU 2.1 病毒基因組.禽流感病毒(H5N1)avian influenza A virus8節(jié)段-ssRNA血凝素

11、（HA）神經(jīng)氨酸酶（N)單股負鏈RNA病毒BAG-TJU流感病毒 分三類 B/C ：一般只在人群中傳播，很少傳染到其他動物，危害并不很大 A：可在野馬、家禽、豬、鯨、馬和海豹等動物體內(nèi)傳播。這種病毒表面的蛋白質(zhì)分為H和N兩大類：H是血細胞凝集素（Hemagglutinin），N是神經(jīng)氨酸（Neuraminidase）。 根據(jù)H和N的形態(tài)，A型病毒可由16種不同的H子型和9種N子型排列組合而成。這些病毒每隔一段時間就發(fā)生一次小突變，雖然每次變異可能很小，但都會使針對變異前的病毒所開發(fā)的疫苗無效。BAG-TJU 2.1 病毒基因組呼腸孤病毒 reovirus雙鏈RNA病毒11節(jié)段dsRNA內(nèi)衣殼蛋

12、白外衣殼蛋白BAG-TJU 2.1 病毒基因組25逆轉(zhuǎn)錄病毒(retrovirus)核心蛋白 逆轉(zhuǎn)錄酶 膜蛋白poly(A)Cap人類免疫缺陷病毒（HIV） BAG-TJU2.2.1 原核生物基因組結(jié)構(gòu)和功能特點2.2.2 轉(zhuǎn)座因子（ transposable element ）2.2.3 質(zhì)粒（ plasmid ） 2.2 原核生物基因組BAG-TJU 通常僅有一條環(huán)狀雙鏈通常僅有一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成分子組成2. 只有一個復(fù)制起點只有一個復(fù)制起點3. 具有操縱子結(jié)構(gòu)具有操縱子結(jié)構(gòu)4. 編碼序列一般不重疊編碼序列一般不重疊5. 基因是連續(xù)的基因是連續(xù)的 2.2.1 原核生物基因組結(jié)構(gòu)和功

13、能特點BAG-TJU6. 編碼區(qū)在基因組中所占比例約為編碼區(qū)在基因組中所占比例約為50%7. 基因組中重復(fù)序列很少基因組中重復(fù)序列很少8. 有編碼同工酶的等基因（有編碼同工酶的等基因（isogene）9. 存在可移動的存在可移動的DNA序列，包括插入序列序列，包括插入序列和和轉(zhuǎn)座子（轉(zhuǎn)座子（ transposon，Tn ）10. 具有多種功能的識別區(qū)具有多種功能的識別區(qū) 2.2.1 原核生物基因組結(jié)構(gòu)和功能特點BAG-TJU 2.2.1 原核生物基因組結(jié)構(gòu)和功能特點細菌染色體DNA質(zhì)粒DNA以大腸桿菌（Escherichia coli）為例BAG-TJU 2.2.1 原核生物基因組結(jié)構(gòu)和功能特

14、點類核（nucleoid）：細菌染色體在 細胞內(nèi)形成的一個致密區(qū)域Nucleoid質(zhì)粒plasmidBAG-TJU 2.2.1 原核生物基因組結(jié)構(gòu)和功能特點大腸桿菌染色體結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)核心超螺旋DNA環(huán)BAG-TJU 2.2.1 原核生物基因組結(jié)構(gòu)和功能特點由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成，通常只有一個DNA復(fù)制起點。大腸桿菌染色體DNA 復(fù)制起始區(qū)（OriC）復(fù)制終止區(qū)（TerC）BAG-TJU 2.2.1 原核生物基因組結(jié)構(gòu)和功能特點結(jié)構(gòu)基因大多組成操縱子(operon)乳糖操縱子 lac operontayz opstructural genepromoterterminatoroperato

15、r-半乳糖苷酶z-半乳糖苷透酶y -半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶a 多個功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因成簇串聯(lián)排列，與上游共同的調(diào)控區(qū)和下游轉(zhuǎn)錄終止信號組成的基因表達單位。BAG-TJU 結(jié)構(gòu)基因大多組成操縱子(operon) 2.2.1 原核生物基因組結(jié)構(gòu)和功能特點BAG-TJU 2.2.1 原核生物基因組結(jié)構(gòu)和功能特點 C 值：4,639,221 bp基因數(shù)：4288基因大?。?50bp/gene基因間隔：118bp/gene1.基因密度非常高，編碼區(qū)在 基因組中所占比例大；2.結(jié)構(gòu)基因沒有內(nèi)含子，多為 單拷貝，rRNA基因為多拷貝；3.重復(fù)序列很少，重復(fù)片段為 轉(zhuǎn)座子； 50kb4.不同的原核生物基因組的GC

16、含量 （GC content）變化很大(25%-75%)Escherichia coliMicrococcus luteus藤黃微球菌Bacillus subtilis枯草桿菌粘質(zhì)沙雷菌 大腸桿菌Shigella flexnerl志賀氏桿菌（痢疾）Salmonella typhimurium鼠傷寒沙門菌 Klebsiella pneumoniae肺炎克雷伯士氏桿菌 Mycopiasma capricolumSerratia marcescens%GC 51 51 52 55 58 52 37 66 61 43 45 33 39 25 75 73 69支原體BAG-TJU 2.2.1 原核生物基

17、因組結(jié)構(gòu)和功能特點5.有編碼同工酶的等基因（isogene） 群體內(nèi)不同個體基因組中其他遺傳背景完全一致條件下僅有的差異基因。 分支酸別構(gòu)酶 entC isochorismate synthase entB isochorismatase6. 非編碼區(qū)主要是調(diào)控序列BAG-TJU 2.2.2 轉(zhuǎn)座因子 轉(zhuǎn)座，或稱移位（transposition）： 轉(zhuǎn)座因子在基因組 不同位置間的移動。Barbara McClintock麥克林托克1902-1992BAG-TJU 轉(zhuǎn)座因子的類型及特征 插入序列（insertion sequence, IS）一類較小的一類較小的沒有表型效應(yīng)的轉(zhuǎn)位因子，長約沒有表

18、型效應(yīng)的轉(zhuǎn)位因子，長約700-2000bp，由一個轉(zhuǎn)位酶基因及兩側(cè)的反向重復(fù)序列（由一個轉(zhuǎn)位酶基因及兩側(cè)的反向重復(fù)序列（IR）組成組成 2.2.2 轉(zhuǎn)座因子BAG-TJU 2.2.2 轉(zhuǎn)座因子 轉(zhuǎn)座因子的類型及特征 可轉(zhuǎn)座的噬菌體(transposable phage) 一類具有一類具有轉(zhuǎn)座功能的溶源性噬菌體轉(zhuǎn)座功能的溶源性噬菌體轉(zhuǎn)座酶頭尾部蛋白轉(zhuǎn)座酶結(jié)合位點 轉(zhuǎn)座酶結(jié)合位點宿主DNA宿主DNA37 kbA BBAG-TJU 2.2.2 轉(zhuǎn)座因子 轉(zhuǎn)座因子的類型及特征 轉(zhuǎn)座子(Transposon, Tn) 一類較大的轉(zhuǎn)座成分，一類較大的轉(zhuǎn)座成分，至少帶有一個與轉(zhuǎn)座作用無關(guān)并決定宿主菌遺至少帶

19、有一個與轉(zhuǎn)座作用無關(guān)并決定宿主菌遺傳性狀的基因。含轉(zhuǎn)座酶傳性狀的基因。含轉(zhuǎn)座酶 轉(zhuǎn)座作用的機制2.2.2 轉(zhuǎn)座因子 轉(zhuǎn)座是轉(zhuǎn)座因子復(fù)制出一個新拷貝轉(zhuǎn)移到基因組新的位置 切離是轉(zhuǎn)座因子從原來位置上切除并轉(zhuǎn)移到基因組新的位置BAG-TJU2.2.3 質(zhì)粒 質(zhì)粒是存在于細菌染色體外的，具有自主復(fù)制能力的環(huán)狀雙鏈DNA分子。BAG-TJU2.2.3 質(zhì)粒BAG-TJU 質(zhì)粒的遺傳控制 復(fù)制調(diào)控系統(tǒng)復(fù)制調(diào)控系統(tǒng)：控制質(zhì)粒的拷貝數(shù)。由復(fù)制起：控制質(zhì)粒的拷貝數(shù)。由復(fù)制起點、點、rep基因和基因和cop基因構(gòu)成基因構(gòu)成 分配系統(tǒng)分配系統(tǒng)：使質(zhì)粒在細菌分裂過程中精確分配：使質(zhì)粒在細菌分裂過程中精確分配到子細胞中

20、到子細胞中 細胞分裂控制系統(tǒng)細胞分裂控制系統(tǒng)：能抑制細胞分裂，使細胞：能抑制細胞分裂，使細胞分裂與質(zhì)粒復(fù)制協(xié)調(diào)分裂與質(zhì)粒復(fù)制協(xié)調(diào)2.2.3 質(zhì)粒BAG-TJU 質(zhì)粒的遺傳控制 位點特異重組系統(tǒng)位點特異重組系統(tǒng)：控制高拷貝質(zhì)粒在菌體中：控制高拷貝質(zhì)粒在菌體中有形成多聚體，使其在分裂時拆開成單體，而有形成多聚體，使其在分裂時拆開成單體，而向子代細胞平均分配向子代細胞平均分配 質(zhì)粒的不相容性質(zhì)粒的不相容性：具有相同復(fù)制起始位點和分：具有相同復(fù)制起始位點和分配區(qū)的兩種質(zhì)粒不能共存與一個宿主菌配區(qū)的兩種質(zhì)粒不能共存與一個宿主菌2.2.3 質(zhì)粒BAG-TJU 真核生物基因組結(jié)構(gòu)與功能特點 1. 1.體細胞

21、一般為體細胞一般為雙倍體雙倍體，即含有兩份同源的基，即含有兩份同源的基因組因組 2. 2.基因組大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、基因數(shù)龐大、具有許基因組大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、基因數(shù)龐大、具有許多復(fù)制起點，每個復(fù)制子大小不一多復(fù)制起點，每個復(fù)制子大小不一 3. 3.轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子2.3 真核生物基因組BAG-TJU 真核生物基因組結(jié)構(gòu)與功能特點 4. 4.含大量重復(fù)序列含大量重復(fù)序列 5. 5.非編碼序列非編碼序列占占90%90%以上以上 6. 6.基因多為斷裂基因基因多為斷裂基因 7. 7.功能相關(guān)的基因構(gòu)成各種基因家族功能相關(guān)的基因構(gòu)成各種基因家族 8. 8.存在可移動的遺傳因素存在可移動的遺傳

22、因素2.3 真核生物基因組BAG-TJU2.3 真核生物基因組染色體DNA線粒體DNABAG-TJU 染色體DNA的組成2.3 真核生物基因組人類染色體核小體BAG-TJU 染色體DNA的組成 單一序列DNA（unique sequence DNA ） 單一序列在人類基因組中大于50 結(jié)構(gòu)基因主要存在于單一序列中。 高度重復(fù)序列DNA（highly repetitive DNA） 重復(fù)次數(shù)106次 衛(wèi)星DNA (satellite DNA) 反向重復(fù)序列(inverted repeats) 中度重復(fù)序列DNA 重復(fù)次數(shù)10-105，約占基因組的352.3 真核生物基因組BAG-TJU 高度重復(fù)

23、序列DNA（highly repetitive DNA） 衛(wèi)星DNA 存在于非編碼區(qū)的串聯(lián)重復(fù)序列，在基因組中約占5。2.3 真核生物基因組 主帶 衛(wèi)星DNABAG-TJUa. 大衛(wèi)星（macro-satellite）DNA： 重復(fù)單位5-10 bp，其在人群中多態(tài)性不顯著。 光密度260nm果蠅基因組2.3 真核生物基因組BAG-TJU2.3 真核生物基因組b. 小衛(wèi)星（minisatellite） DNA： 重復(fù)單位9-24 bp，呈高度多態(tài)性?？勺償?shù)目串聯(lián)重復(fù)序列（variable number of tandem repeat,VNTR）端粒DNA：（TTAGGG）n，2-20 kb，

24、 染色體復(fù)制，末端保護。 核心序列 GGGCAGGAXG；BAG-TJUc. 微衛(wèi)星DNA (macro-satellite DNA)短串聯(lián)重復(fù)(short tandem repeat,STR)重復(fù)次數(shù)10-60次，總長度小于150bp，高度多態(tài)性，可作遺傳標記。2.3 真核生物基因組BAG-TJU短串聯(lián)重復(fù)(short tandem repeat,STR)2.3 真核生物基因組BAG-TJU 高度重復(fù)序列DNA（highly repetitive DNA） 反向重復(fù)序列 兩個順序列相同的拷貝在DNA鏈上呈反向排列。在基因組中約占5，常見于基因調(diào)控區(qū)。2.3 真核生物基因組5AAACCACCG

25、CTGGTAGCGGTGGTTT33TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA55AAACCACCGCTAGCGGTGGTTT33TTTGGTGGCGATCGCCACCAAA5回文結(jié)構(gòu)BAG-TJU 中度重復(fù)序列:2.3 真核生物基因組tRNA、rRNA組蛋白、免疫球蛋白可能與基因調(diào)控相關(guān)序列重復(fù)次數(shù)10-105，約占基因組的35BAG-TJU 基因組序列多態(tài)性 單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism, SNP）2.3 真核生物基因組等位型1等位型2兩個同源DNA序列中同一堿基位置含有不同的核苷酸。BAG-TJU 基因組序列多態(tài)性 限制性片段長度多態(tài)性（restriction fragment length polymorphism）2.3 真核生物